月壤地質(zhì)勘探的“十八般武藝”

陳薪碩 李守定 隋旺華

阿波羅時期的宇航員使用的電動鉆機（實驗圖）

2020年12月17日，我國“嫦娥五號”探測器的返回器攜帶著1731克珍貴的月壤樣品安全返回地球。這是世界上第一次完全由計算機自主控制的月球采樣任務。至此，我們才算是真正實現(xiàn)了古時“上九天攬月”的愿望，一覽月壤的真容。但在取回樣本之前，我們又是怎樣了解和研究月壤的呢？

自升空以來，“嫦娥五號”探測器就備受世人關注，但其實它還有很多的“老前輩”。其中，我們最熟悉的莫過于“嫦娥三號”和“嫦娥四號”探測器了，當然也包括陪伴它們一起奔月的“玉兔號”和“玉兔二號”月球車。這些成功登上月球的探測器，在完成任務的過程中使出了“十八般武藝”，各顯神通，為我們提供了了解月球、研究月壤的寶貴機會。

“嫦娥四號”著陸器地形地貌相機對“玉兔二號”巡視器成像。

“玉兔二號”車轍

“玉兔二號”測月雷達沿途探測月表下結構。

“火眼金睛”

月球探測器上搭載的用來研究月壤的科學儀器中，最為常見的便是相機了，幾乎所有的探測任務中都采用了攝影測量這種探測方法。我國“嫦娥三號”和“嫦娥四號”探測器上就攜帶有降落相機、全景相機和地形地貌相機等不同種類的攝影裝備。

降落相機，顧名思義，就是著陸器在降落過程中實施拍攝任務的相機，它位于著陸器的下方。在降落前的最后2000米路程中，降落相機對月球表面進行連續(xù)的拍攝，不僅為著陸器著陸位置的選擇提供了參考依據(jù)，也借機看清了月球表面土壤和巖石的大小和形態(tài)。成功降落之后，拍攝月球別樣風景的任務就交接到了地形地貌相機和全景相機身上，前者裝備在“嫦娥三號”和“嫦娥四號”探測任務的著陸器上，后者則裝備在月球車上。尤其是“玉兔二號”月球車上搭載的兩臺全景相機，像是變色龍的兩只眼睛一樣長在桅桿兩側，可以進行水平與豎直旋轉，通過這種改變朝向和俯仰角的方式，注視著周圍發(fā)生的一切。科學家對傳回的上百張照片進行拼接，就可以得到周圍風景的全貌圖。

不同國家的月球探測器，拍攝的內(nèi)容都大同小異，但也并不局限于拍攝天然景觀，它們還很青睞“人類的足跡”。在探測器或宇航員降落、巡視、行走時，難免會在月球表面留下蹤跡。“嫦娥四號”探測器的地形地貌相機就曾記錄下了“玉兔二號”月球車的車轍。早在幾十年前的“阿波羅”月球勘測時代，宇航員也曾用相機記錄下了“個人一小步，人類一大步”的足跡。可別小看這些痕跡，科學家們已經(jīng)通過深度和形態(tài)的研究，從中計算出了月壤的力學性質(zhì)。

“耳聽八方”

面對月球表面的復雜環(huán)境，月球探測不能只停留在觀其表象，而要“眼觀六路，耳聽八方”。當然，這個“聽”可不是聽聲音，而是“聆聽”反射波。依據(jù)不同的反射波，這種勘探方法可被細分為兩類：一類是接收“月震波”的月震儀;另一類是接收電磁波的測月雷達。類似于光（光也是一種電磁波）射向水面時會發(fā)生反射和折射，月震波或電磁波遇到地下障礙物，或者不同土壤或巖石的界面時，也會發(fā)生反射和折射。根據(jù)接收到的這些反射波和折射波的時間和分布，就可以反推地下土壤中巖石的大小與位置，以及不同層的分界情況。

使用月震儀進行相關探測主要是在“阿波羅”月球勘測時代，由美國宇航員親自部署儀器。“阿波羅11號”至“阿波羅17號”中，除“阿波羅13號”任務出現(xiàn)差錯外，其余6次任務都涉及到了月震波探測。經(jīng)過這幾次任務，最終在月球的正面形成了一個呈正三角形的探測網(wǎng)絡，不斷收集月震波數(shù)據(jù)。除了等待月球自身發(fā)生的地震以外，我們還可以主動制造小規(guī)模的地震。在“阿波羅”計劃中，就采用過向月球表面扔炸彈、發(fā)射導彈的方法制造震動波，再由提前布置好的儀器收集月震波數(shù)據(jù)，以此分析月球表面下的分層結構。

在我國已執(zhí)行的探月任務中并未使用月震儀，裝備的是更為先進的測月雷達。測月雷達會向地下發(fā)射電磁波，再接收地下反射回來的電磁波，像做CT一樣對地下的結構進行掃描。“玉兔號”和“玉兔二號”月球車裝備的測月雷達可以探測地下數(shù)百米的深度，“聽”得非常遠。而“嫦娥五號”探測器的測月雷達則更注重細節(jié)，雖然只能掃描3米深的月壤，卻可以分辨出地下幾厘米大小的石塊，真正做到了明察秋毫。

“神臂通天”

除了“耳聰目明”，執(zhí)行任務的探測器還擁有“通天神臂”，輔助進行各種各樣的探測活動。“嫦娥五號”探測器就有這樣一條“神臂”，它的結構和人的手臂相同，分為大臂和小臂，大臂可以在水平垂直兩個方向上轉動，還可以自由屈伸，實現(xiàn)360°無死角操作。機械臂的末端是“手”（一個圓柱形帶蓋的取土器），可以鏟取月壤。在“嫦娥五號”帶回的月壤中，有1500克都是靠這只“手”挖回來的。7年前，它的前輩“玉兔號”月球車也有一條機械臂，被稱為“玉兔之手”。但受技術限制，當時“玉兔之手”的大臂僅能進行左右擺動，小臂僅能上下擺動，手臂末端是一臺X射線譜儀，用來探測分析月壤的化學成分。

“嫦娥五號”機械臂與表取鏟斗（模型）

玉兔號“玉兔之手”

?“勘察者3號”機械臂與鏟斗

在20世紀60年代，美國發(fā)射的“勘察者3號”和“勘察者7號”兩輛月球探測器都是配備有機械臂的，只不過結構是相對原始的菱形，這與我們?nèi)粘Ｉ钪械纳炜s門類似，活動能力受到較大的限制。這兩輛月球探測器的“手”是貨真價實的挖掘斗，除了可以挖取土壤外，還可以將蓋子關閉對土壤進行壓實，對抓在手中的土壤進行稱重，可謂功能齊全。

“一槍封喉”

傳說中的孫悟空擁有火眼金睛，會眾多法術，可依舊離不了如意金箍棒。我們的月壤勘探也是如此，除去自身的過硬本領，還需一件趁手的“兵器”——“圓錐貫入儀”。一般來說，圓錐貫入儀呈長槍狀，由長柄和圓錐形探頭組成。勘探時，將該儀器以一定的速度刺入土壤中，錐形探頭內(nèi)的傳感器便會實時記錄受到的阻力，以此研究土壤的力學性質(zhì)。

阿波羅時期的圓錐貫入儀

“月球13號”圓錐貫入儀

“月球車1號”圓錐貫入儀

“月球16號”探測器（左下為取樣鉆機）

“嫦娥五號”的樣品儲存“卷香腸”

“阿波羅”月球勘測時代，美國宇航員親自出馬，在月球表面進行了多次試驗，其使用的圓錐貫入儀還可以自動記錄刺入土壤的深度，便于進一步的計算和分析。由于沒有宇航員登月，蘇聯(lián)探月任務中的圓錐貫入儀都是安裝在無人探測器上的。受空間限制，儀器并沒有那么長的柄，因此縮減了最大測量深度。“月球13號”探測器的圓錐貫入儀為伸縮式，錐形探頭起初是縮在短柄內(nèi)的，在接收到啟動指令后，內(nèi)部的小發(fā)動機啟動，將錐形探頭推入土壤中。“月球車1號”的圓錐貫入儀則經(jīng)過了進一步設計改進，在錐形探頭的兩側加裝了葉片，刺入土壤后還可以進行旋轉，破壞周圍土壤，以獲得更多的數(shù)據(jù)資料。試驗完成后，通過鉸鏈將儀器從土壤中拔出，在“月球車1號”行駛到下一個目標位置時，再進行下一次試驗。

“探囊取物”

在月球上研究月壤，終歸是遠距離操控。若想研究得更加透徹，還得練就“探囊取物”的功夫，將深層的月壤帶回地球實驗室。

具體來說，這項工作是由鉆機完成的。鉆機由鋒利的鉆頭和鉆桿組成，兩者均是空心結構。在鉆孔過程中，鉆頭和鉆桿高速旋轉，同時向下保持著一定的壓力，甚至是有規(guī)律的沖擊。旋轉和沖擊的同時作用，使鉆頭接觸的月壤逐漸破碎。由于鉆頭和鉆桿都是空心結構的，因此中間會有一部分圓柱形的月壤被完整保留下來，并隨著鉆頭逐漸向下的運動慢慢進入鉆桿。鉆孔完成后，拆下鉆桿并密封，這個包裹著月壤的圓柱形長筒就可以被帶回地球了。

在“阿波羅”登月期間，由宇航員手動操作取得了數(shù)量可觀的圓柱形樣品。而在蘇聯(lián)的月球探測任務中，鉆機被安裝在探測器的一處長桿末端，采樣后長桿旋轉將樣品送到探測器頂部的密封艙中帶回，整個過程是由地面控制中心的工作人員遠程操控完成的。后續(xù)的任務中鉆機的設計也得到了改進，增加了一條軌道，可以取回更多的月壤。而我國的“嫦娥五號”探測器的鉆機在技術上有了很大的進步，從開始鉆孔，控制鉆頭旋轉的速度和力度，到最后圓柱形樣品的密封儲存，全部由計算機自主控制，使得這項工作變得高效且穩(wěn)定。在儲存方面，傳統(tǒng)用來存儲土壤樣品的鉆桿是硬邦邦的長筒，而“嫦娥五號”采用了一個長的軟袋子，鉆孔結束后，就可以像卷香腸一樣盤起來，大大節(jié)省了存儲所需的空間。

近來，一句“我們的征途是星辰大海”火遍了網(wǎng)絡。縱使月球上沒有空氣、引力過小，極冷極熱，環(huán)境非常惡劣，也阻擋不了我們心向宇宙、探索未知的熱情。對月壤的研究將為未來我們真正踏上月球，甚至在月球居住起到至關重要的推動作用。人類正在運用自己的智慧，創(chuàng)造出一代又一代身懷絕技的探測器，從而揭曉宇宙中無窮無盡的奧秘。